6. ФОТОХИМИЧЕСКИЕ СТАДИИ ФОТОСИНТЕЗА

Крупнейшим достижением в области фотобиологии явилось открытие А. А. Красновским в 1948 г. реакции обратимого фотовосстановления хлорофилла в эвакуированном пиридиновом растворе в присутствии доноров водорода (аскорбиновая кислота) с образованием розовой формы пигмента с максимумом поглощения при 525 нм. В настоящее время считается общепризнанным, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза — это обратимое окислительно-восстановительное превращение хлорофилла. Квантовый выход реакции фотовосстановления хлорофилла составляет в этанол-водно-пиридиновых и в водно-пиридиновых растворах. Реакция Красновского протекает в несколько стадий:

В присутствии кислорода и других окислителей происходит обратная реакция, в результате которой восстанавливается исходная зеленая окраска раствора:

В анион-радикале электрон делокализован по орбитам системы сопряженных связей хромофорного ядра. Два атома водорода могут присоединяться к хлорофиллу,

по-видимому, различными способами в зависимости от условий среды, о чем свидетельствует выявление нескольких форм различающихся по спектрам поглощения и флуоресценции. Донорами электронов и протонов, кроме аскорбиновой кислоты, могут служить следующие соединения: фенилгидразин, цистеин, -бензилникотинамид, НАДН, цитохром с; акцепторами, кроме кислорода, — различные азокрасители и хиноны, рибофлавин, НАД, НАДФ, виологены и другие вещества.

Реакция обратимого фотовосстановления характерна не только для хлорофилла а, но и для других хлорофиллов и родственных им соединений (хлорофиллы бис, бактериохлорофиллы а и феофитины а и протохлорофиллы, различные порфирины). Она не наблюдается для фикоэритрина и фикоцианина.

В дальнейшем было установлено, что хлорофилл способен и к реакции обратимого фотоокисления в присутствии акцепторов электрона в спиртовых растворах. Такая реакция протекает, например, в присутствии -хинона в вязких средах при температуре . В противоположность деструктивному окислению хлорофилла на интенсивном свету в данном случае добавление восстановителей сопровождается частичной регенерацией исходного пигмента. Начальные стадии фотоокисления описываются следующей схемой:

Чрезвычайно важно, что способность хлорофилла в возбужденном состоянии воспринимать или отдавать электрон обеспечивает его перенос против термодинамического потенциала в тройной молекулярной системе акцептор — хлорофилл — донор, т. е. энергия кванта света с помощью хлорофилла как посредника расходуется и запасается при подъеме электрона с более «низкого» энергетического уровня у донора на более «высокий» у акцептора. Работа хлорофилла как «электронного насоса» доказывается на многочисленных модельных системах. Эффект сенсибилизированного «восходящего» транспорта электрона наблюдается независимо от того, начинается этот процесс с фотовосстановления хлорофилла

(возбужденный хлорофилл воспринимает электрон от донора на основной уровень, ранее занимаемый «возбудившимся» фотоэлектроном, а затем «возбужденный» электрон передается акцептору) или с его фотоокисления («возбужденный» электрон хлорофилла отдается акцептору, затем электрон донора переходит на основной уровень хлорофилла). Указанные взаимоотношения могут быть проиллюстрированы схемой В. Б. Евстигнеева (рис. 14).

Рис. 14. Фотоперенос электрона в тройной системе хлорофилл — окислитель — восстановитель (Евстигнеев В. Б., 1966): а, б - основной и возбужденный электронные уровни хлорофилла; электронные уровни окислителя и восстановителя (I — до освещения, II — после поглощения кваита света пигментом, III — после переходов электрона); индексы 1 (2) и 2 (1) указывают на временную последовательность переходов электрона, при которой хлорофилл окисляется и восстанавливается соответственно

Что будет первичным — восстановление или окисление хлорофилла, определяется природой среды и окислительно-восстановительными свойствами акцепторов и доноров электронов. Действительно, в зависимости от условий кислотно-основного равновесия в тройной системе преобладают то электронно-донорные, то электронно-акцепторные свойства хлорофилла.

Именно благодаря способности к реакции обратимого окисления—восстановления хлорофилл может выполнять функции энергетического фотокатализатора при фотосинтезе, способствуя первичному запасанию энергии света в виде восстановленных интермедиатов.

Хотя бесспорных доказательств протекания реакции обратимого фотовосстановления — фотоокисления самого хлорофилла непосредственно в фотосинтезирующих организмах пока не получено, с этой реакцией могут быть связаны быстрые, обратимые изменения спектров поглощения пигментов, например, в полосе поглощения 890 нм

одной из форм бактериохлорофилла и в полосе поглощения хлорофилла а, наблюдаемые при облучении их лазерными импульсами.

В пользу образования в клетке катион-радикалов хлорофилловых пигментов свидетельствуют и данные электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Фотосигнал ЭПР в Rhodospirillum rubrurn приписан ион-радикалу бактериохлорофилла на основании, во-первых, соответствия между кинетикой ЭПР-сигнала и изменениями в поглощении при как при комнатных, так и при низких (77 К, 4 К) температурах; во-вторых, близости значений редокс-потенциалов свободных радикалов и бактериохлорофилла а.

Из работ Парсона вытекает, что первичная реакция в бактериальном фотосинтезе:

где А ?— первичный акцептор электрона невыясненной природы, представляет собой окисление бактериохлорофилла.

Ценная информация о кинетике окислительно-восстановительных превращений в реакционных центрах фотосинтезирующих объектов была получена с помощью лазерной техники. Было обнаружено, например, что скорость переноса электрона в системе донор фотохимически активный хлорофилл акцептор лежит в микросекундном интервале. Так, для пурпурных бактерий время переноса электрона от пигмента к акцептору равно 0,5, а для высших растений — 2 мкс. С такой скоростью перенос электрона от хлорофилла к акцептору осуществляется даже при температуре жидкого азота -196° С), что указывает на его физическую природу. Реакция восстановления фотохимически активного хлорофилла (донор пигмент) протекает с более низкой скоростью: для бактерий и высших растений соответственно. В реакции восстановления удалось вычленить два параллельных пути, один из которых зависит, а другой не зависит от температуры. Предполагается, что восстановление фотохимически активного хлорофилла происходит преимущественно в ходе второй реакции.

Итак, хлорофилловые пигменты в фотосинтезирующих

организмах управляют электронными потоками благодаря непосредственному окислению — восстановлению их, а не за счет физической сенсибилизации (миграция энергии) промежуточных редокс-интермедиатов (И) с передачей электрона переносчику (П) по схеме

Более того, в литературе высказывается предположение, что в одной из двух фотохимических систем первичным является фотовосстановление, в другой — фотоокисление хлорофилла. Например, установлено, что первичной фотохимической реакцией в первой фотосистеме (ФС I) у красных водорослей является окисление активной формы хлорофилла

Таким образом, стыковка между фотофизикой хлорофилла и запасанием поглощенной энергии света в органическом веществе обеспечивается его окислительно-восстановительными превращениями. В результате «холодный» электрон воды превращается в богатый энергией «горячий» электрон НАДФН, молекула которого и удерживает в себе солнечную энергию:

По современным представлениям, отрыв электрона от воды и перенос его к НАДФН — не одноактный, а многоступенчатый процесс последовательных окислительновосстановительных реакций в цепочке (электронный каскад) специализированных веществ — переносчиков электронов.